特許 7589083 アクチュエータ及びアクチュエータの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-15

(45)【発行日】2024-11-25

(54)【発明の名称】アクチュエータ及びアクチュエータの制御方法

(51)【国際特許分類】

   B25J 13/08 20060101AFI20241118BHJP

   B25J 19/00 20060101ALI20241118BHJP

【ＦＩ】

B25J13/08 Z

B25J19/00 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2021049442

(22)【出願日】2021-03-24

(65)【公開番号】P2022147956

(43)【公開日】2022-10-06

【審査請求日】2023-11-28

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001379

【氏名又は名称】弁理士法人大島特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川上 智弘

(72)【発明者】

【氏名】田中 智明

(72)【発明者】

【氏名】金子 広幸

(72)【発明者】

【氏名】澤村 大祐

【審査官】稲垣 浩司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１６０６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－５２９１３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２５Ｊ １／００ ー ２１／０２

Ｇ０５Ｂ １１／００ ー １３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アクチュエータであって、
駆動源と、
前記駆動源によって駆動される負荷体と、
前記駆動源が発生する動力を前記負荷体に伝達するワイヤを含む動力伝達系と、
前記負荷体の位置及び速度を取得するための負荷位置センサと、
前記ワイヤの張力を取得するための張力センサと、
前記負荷体の与えられた目標位置を実現するように前記駆動源の出力を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置が、前記目標位置と前記負荷体の前記位置とに基づいて前記負荷体に作用させるべき目標出力を設定し、前記ワイヤの前記張力と前記目標出力との偏差に前記動力伝達系の柔軟係数と速度ゲインとの乗算値である力制御ゲインを乗じて、前記駆動源の目標付加速度を設定し、前記目標付加速度に基づいて前記出力を制御するアクチュエータ。

【請求項2】

前記制御装置が、前記負荷位置センサから取得される前記負荷体の前記速度を換算して得た従動駆動源速度と前記目標付加速度とに基づいて前記駆動源の目標速度を設定し、前記目標速度を実現するように前記出力を制御する請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項3】

前記負荷体が相反する２つの変位方向に変位可能に設けられ、前記ワイヤが前記負荷体を両変位方向に駆動し得るように前記負荷体に対して前記変位方向の両側に配置され、
前記負荷体に作用する前記ワイヤの前記張力を前記両変位方向について取得するべく、前記張力センサが前記負荷体に対して前記変位方向の前記両側にて前記ワイヤ上に設けられている請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。

【請求項4】

前記動力伝達系が、前記駆動源と前記ワイヤとの間に介在するばね要素を更に含み、
前記張力センサが、前記ばね要素の変位を計測する変位センサであり、
前記制御装置が、前記変位センサが計測した前記変位に前記ばね要素のばね定数を乗じることによって前記ワイヤの前記張力を取得する請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。

【請求項5】

前記動力伝達系が、前記ワイヤの前記張力が作用する方向と相反する方向に前記ワイヤを常時付勢する付勢部材を更に含み、
前記制御装置が、前記付勢部材による付勢力に対向する力を加算して、前記目標出力を設定する請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。

【請求項6】

前記駆動源と前記負荷体との間に少なくとも１つの関節が設けられ、前記ワイヤが前記関節を通過するように設けられ、前記張力センサが前記関節に対して前記駆動源の側に配置される請求項１～請求項５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。

【請求項7】

駆動源と、前記駆動源によって駆動される負荷体と、前記駆動源が発生する動力を前記負荷体に伝達するワイヤを含む動力伝達系とを備えるアクチュエータの制御方法であって、
前記負荷体の与えられた目標位置に基づいて前記負荷体に作用させるべき目標出力を設定し、前記ワイヤの張力と前記目標出力との偏差に前記動力伝達系の柔軟係数と速度ゲインとの乗算値である力制御ゲインを乗じて、前記駆動源の目標付加速度を算出し、前記目標付加速度に基づいて前記駆動源の出力を制御するアクチュエータの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ワイヤを含む動力伝達系を備えたアクチュエータ及びそのアクチュエータの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ロボットアームが外力を受けたときに、アーム又はその構成要素がダメージを受けないように、アームにコンプライアンス又は柔軟性を与えるパッシブコンプライアンス（受動柔軟性）制御が公知である（例えば、特許文献１）。

【0003】

特許文献１に記載のアクチュエータは、外力に応じたリンクの動作のコンプライアンスを、環境や用途に鑑みて適切に調節する。このアクチュエータは、駆動機構（例えば、モータ等の駆動源）と、負荷（例えば、リンク等の負荷体）と、駆動源と負荷体との間に介在する柔軟要素と、駆動源の動作を制御する制御装置とを備える。制御装置は、負荷体に作用させる目標力（目標出力）と、負荷体の実速度と、駆動源及び負荷体のそれぞれの実位置と、柔軟要素の特性を表す柔軟係数とに基づいて駆動源の目標従動速度（作用させるべき目標速度）を設定する。制御装置は、負荷体の目標速度（速度指令）と目標従動速度との合成結果としての合成目標速度に基づいて駆動指令速度を設定し、駆動指令速度に基づいて駆動源の駆動速度を制御する。すなわち、アクチュエータは、柔軟係数（線形な柔軟特性）を有する柔軟要素を動力伝達系に備えており、位置と力とを組み合わせたハイブリッド制御によってパッシブコンプライアンス制御を実現している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００９－１６０６８７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載されたパッシブコンプライアンス制御は、動力伝達系に介在する柔軟要素が、柔軟係数（すなわち、ばねのように線形な柔軟特性）を有することを前提としている。

【0006】

ここで、動力伝達系がワイヤを含むワイヤ駆動式のアクチュエータの制御にこのパッシブコンプライアンス制御を適用することについて検討すると、以下の課題が発生する。すなわち、動力伝達系のワイヤは、ワイヤが巻き掛けられるプーリとの摩擦やワイヤが収容されるアウタチューブ（例えば、蛇管）との摩擦の影響を受ける。そのため、動力伝達系の特性、具体的には、駆動源の位置と負荷体が発生する力との関係を示す、上記柔軟係数に対応する特性が、非線形（動作の向きに応じて特性が変化するヒステリシスを含む特性）になる。

【0007】

本発明は、このような背景に鑑み、アクチュエータの動力伝達系が非線形な特性を有していてもパッシブコンプライアンス制御を可能にすることを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

このような課題を解決するために、本発明のある実施形態は、アクチュエータ（３０）であって、駆動源（２３）と、前記駆動源によって駆動される負荷体（３２）と、前記駆動源が発生する動力を前記負荷体に伝達するワイヤ（３６）を含む動力伝達系（３３）と、前記負荷体の位置（θ_Ｌ）及び速度（ω_Ｌ）を取得するための負荷位置センサ（４４）と、前記ワイヤの張力（Ｆａ（Ｔａ））を取得するための張力センサ（３９、８２）と、前記負荷体の与えられた目標位置（θ_Ｌｔ）を実現するように前記駆動源の出力（ω_Ｍ）を制御する制御装置（１３、２５）とを備え、前記制御装置が、前記目標位置（θ_Ｌｔ）と前記負荷体の前記位置（θ_Ｌ）とに基づいて前記負荷体に作用させるべき目標出力（Ｔｔ）を設定し、前記ワイヤの前記張力（Ｆａ（Ｔａ））と前記目標出力（Ｔｔ）との偏差（Ｔｅｒｒ）に力制御ゲイン（Ｋｔｐ）を乗じて、前記駆動源の目標付加速度（ωａｄｄ）を設定し、前記目標付加速度に基づいて前記出力（ω_Ｍ）を制御する。

【0009】

この構成によれば、動力伝達系が柔軟要素であるワイヤを含んでいても、制御装置が、張力センサによって取得されたワイヤの張力と目標出力との偏差に、力制御ゲインを乗じることで駆動源の目標付加速度を設定することができる。そして、制御装置が目標付加速度に基づいて駆動源の出力を制御することで、負荷体にコンプライアンスを与えるパッシブコンプライアンス制御を従来と同様に実現することができる。

【0010】

好ましくは、前記力制御ゲイン（Ｋｔｐ）は、前記動力伝達系の柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）と速度ゲイン（Ｋｐ_２）との乗算値である。

【0011】

この構成によれば、力制御ゲインが柔軟係数を含むことで、ワイヤの張力と目標出力との偏差に柔軟係数を乗じた値がワイヤの実変位とワイヤの目標変位との変位差（Δθ）に相当する値として算出される。そしてこのワイヤの変位差に速度ゲインが乗じられることで、駆動源の目標付加速度が算出される。

【0012】

好ましくは、前記制御装置が、前記負荷位置センサから取得される前記負荷体の前記速度（ω_Ｌ）を換算して得た従動駆動源速度（ωｆ）と前記目標付加速度（ωａｄｄ）とに基づいて前記駆動源の目標速度（ω_Ｍｔ）を設定し、前記目標速度を実現するように前記出力（ω_Ｍ）を制御するとよい。

【0013】

この構成によれば、制御装置が、目標出力とワイヤの張力とに基づいて、駆動源の目標速度を制御媒体として駆動源の出力を制御することができる。

【0014】

好ましくは、上記の構成において、前記負荷体が相反する２つの変位方向に変位可能に設けられ、前記ワイヤが前記負荷体を両変位方向に駆動し得るように前記負荷体に対して前記変位方向の両側に配置され、前記負荷体に作用する前記ワイヤの前記張力を前記両変位方向について取得するべく、前記張力センサ（３９）が前記負荷体に対して前記変位方向の前記両側にて前記ワイヤ上に設けられているとよい。

【0015】

この構成によれば、ワイヤの張力を両変位方向について取得できるため、制御装置が両変位方向について目標出力を負荷体に作用させるように駆動源の出力を制御することができる。

【0016】

或いは、上記の構成において、前記動力伝達系が、前記駆動源と前記ワイヤとの間に介在するばね要素（８１）を更に含み、前記張力センサが、前記ばね要素の変位を計測する変位センサ（８２）であり、前記制御装置が、前記変位センサが計測した前記変位に前記ばね要素のばね定数を乗じることによって前記ワイヤの前記張力を取得するとよい。

【0017】

この構成によれば、ワイヤだけでなく、ばね要素によっても負荷体の動きに所望のコンプライアンスを与えることができる。また、ばね要素の変位からワイヤの両方向の張力を計測することができるため、変位センサが１つで済み、ワイヤ上に設けられる張力センサのように２つのセンサを設ける必要がないため、ワイヤ周り及びセンサ周りの構成を小型化することができる。

【0018】

或いは、上記の構成において、前記動力伝達系が、前記ワイヤの前記張力が作用する方向と相反する方向に前記ワイヤを常時付勢する（線形特性を有する）付勢部材（４２）を更に含み、前記制御装置が、前記付勢部材による付勢力に対向する力（Ｔｃ）を加算して、前記目標出力を設定するとよい。

【0019】

この構成によれば、ワイヤが張力を一方のみに伝達するように配置され、他方への力が付勢部材によって与えられても、目標出力を負荷体に作用させるように駆動源の出力を制御することができる。また、負荷体を両方向に駆動し得るようにワイヤを配置する必要がないため、アクチュエータの大型化を抑制できる。

【0020】

好ましくは、前記駆動源と前記負荷体との間に少なくとも１つの関節（１２）が設けられ、前記ワイヤが前記関節を通過するように設けられ、前記張力センサが前記関節に対して前記駆動源の側に配置されるとよい。

【0021】

この構成によれば、関節に対して負荷体の側に張力センサを設ける必要がないため、アクチュエータの負荷体側の部分の大型化を抑制することができる。

【0022】

課題を解決するために、本発明のある実施形態は、駆動源（２３）と、前記駆動源によって駆動される負荷体（３２）と、前記駆動源が発生する動力を前記負荷体に伝達するワイヤ（３６）を含む動力伝達系（３３）とを備えるアクチュエータ（３０）の制御方法であって、前記負荷体の与えられた目標位置（θ_Ｌｔ）に基づいて前記負荷体に作用させるべき目標出力（Ｔｔ）を設定し、前記ワイヤの張力（Ｆａ（Ｔａ））と前記目標出力（Ｔｔ）との偏差（Ｔｅｒｒ）に力制御ゲイン（Ｋｔｐ）を乗じて、前記駆動源の目標付加速度（ωａｄｄ）を設定し、前記目標付加速度に基づいて前記駆動源の出力を制御する。ここで、前記力制御ゲインは、前記動力伝達系の柔軟係数と速度ゲインとの乗算値である。

【0023】

この構成によれば、アクチュエータの動力伝達系が柔軟要素であるワイヤを含んでいても、張力センサによって取得されたワイヤの張力と、目標出力の張力に対応する力との偏差に、力制御ゲインを乗じることで駆動源の目標付加速度を算出することができる。そして、目標付加速度に基づいて駆動源の出力を制御することで、負荷体にコンプライアンスを与えるパッシブコンプライアンス制御を従来と同様に実現することができる。

【発明の効果】

【0024】

このように本発明によれば、アクチュエータの動力伝達系が非線形な特性を有していてもパッシブコンプライアンス制御が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】実施形態に係るロボットの概略構成図

【図2】ロボットの手部の概略構成図

【図3】手部の第１アクチュエータのモデル図

【図4】手部の第２アクチュエータのモデル図

【図5】手部のアクチュエータのシステム構成図

【図6】手部のアクチュエータの概略的な機能ブロック図

【図7】第１アクチュエータに係るコントローラの要部の機能ブロック図

【図8】第２アクチュエータに係るコントローラの要部の機能ブロック図

【図9】（Ａ）従来技術、（Ｂ）本発明のそれぞれの制御の説明図

【図10】実施形態に係る制御による応答性の効果を示すボード線図

【図11】第２アクチュエータの応答を示すタイムチャート

【図12】実施形態に係る制御システムによる応答を示すタイムチャート

【図13】他の実施形態に係る第１アクチュエータのモデル図

【図14】他の実施形態に係る第２アクチュエータのモデル図

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。

【0027】

図１は、実施形態に係るロボット１の概略構成図である。図１に示すように、ロボット１はヒューマノイドロボットである。ロボット１は、基体２と、基体２の上方に配置された頭部３と、基体２の上部から延設された左右の腕部４と、腕部４の先端に設けられた手部５と、基体２の下部から延設された左右の脚体６と、脚体６の先端に設けられた足部７とを備えている。以下の説明では、ロボット１の前後方向をＸ軸、左右方向をＹ軸、上下方向をＺ軸とする。

【0028】

基体２はＺ軸回りに相対的に回動し得るように上下に連結された上部及び下部により構成されている。頭部３は基体２に対してＺ軸回りに回動する等、動くことができる。

【0029】

腕部４は上腕リンク８と前腕リンク９とを備えている。基体２と上腕リンク８とは肩関節１０を介して連結され、上腕リンク８と前腕リンク９とは肘関節１１を介して連結され、前腕リンク９と手部５とは手根関節１２を介して連結されている。肩関節１０はＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸回りの回動自由度を有し、肘関節１１はＹ軸回りの回動自由度を有し、手根関節１２はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸回りの回動自由度を有している。基体２には、ロボット１の全体の動作を制御する第１制御装置１３が設けられている。

【0030】

図２に示すように、手部５は、掌部１４と、掌部１４から延設された複数の指部１５とを備えている。指部１５のそれぞれは、第１指リンク１６と、第２指リンク１７と、第３指リンク１８とを備えている。掌部１４と第１指リンク１６とは第１指関節１９を介して連結され、第１指リンク１６と第２指リンク１７とは第２指関節２０を介して連結され、第２指リンク１７と第３指リンク１８とは第３指関節２１を介して連結されている。第１指関節１９～第３指関節２１はＹ軸回りの回動自由度を有している。親指に対応する指部１５の第１指関節１９は、更にＸ軸回りの回動自由度を有している。前腕リンク９、掌部１４、第１指リンク１６～第３指リンク１８、手根関節１２及び第１指関節１９～第３指関節２１はアウタケース２２によって覆われている。

【0031】

前腕リンク９には、各指の関節を駆動するための複数のモータ２３（駆動源）と、これらのモータ２３の動作を制御する第２制御装置２５とが設けられている。本実施形態では、第３指関節２１は第２指関節２０と連動するように構成されており、各指部１５について、第１指関節１９を駆動するためのモータ２３と、第２指関節２０及び第３指関節２１を駆動するためのモータ２３との２つのモータ２３が使用される。第２制御装置２５は、全ての指部１５のモータ２３を駆動するものであり、複数のアクチュエータ３０（３０Ａ、３０Ｂ）に共通となっている。

【0032】

第２制御装置２５は、基体２に搭載された第１制御装置１３（図１）から指令を受け、指令に基づいてモータ２３の動作を制御することによって手部５の全ての指部１５を駆動する。モータ２３はロボット１に搭載されているバッテリ（図示略）から供給される電力によって動作する。指部１５のそれぞれはアクチュエータ３０を構成する。つまり、上腕リンク８から掌部１４までの部分は、肩関節１０を介して基体２に支持されたアーム３１をなし、掌部１４は、アーム３１の基部をなす前腕リンク９に手根関節１２を介して連結され、指部１５を支持するハンド部をなしている。

【0033】

本実施形態では、指部１５が複数のモータ２３によって駆動される複数の関節（１９～２１）を有している。つまり、本実施形態の指部１５は複数のアクチュエータ３０を含んでいると言える。以下、第１指関節１９を駆動するアクチュエータ３０を第１アクチュエータ３０Ａ（図３参照）と言い、第２指関節２０を駆動するアクチュエータ３０を第２アクチュエータ３０Ｂ（図４参照）と言う。第１アクチュエータ３０Ａは、掌部１４に対して指部１５の全体をＹ軸回りに回動駆動する。第２アクチュエータ３０Ｂは、第１指リンク１６に対して第２指リンク１７及び第３指リンク１８をＹ軸回りに回動駆動する。以下、第１アクチュエータ３０Ａにおける駆動対象である指部１５、並びに、第２アクチュエータ３０Ｂにおける第２指リンク１７及び第３指リンク１８を、単に負荷体３２（図３及び図４参照）と言う。各負荷体３２は直接又は他の負荷体３２を介して間接的にアーム３１に対して変位可能に設けられる。なお、他の実施形態では、指が１つのモータ２３のみによって駆動されてもよい。

【0034】

図３は、手部５の第１アクチュエータ３０Ａのモデル図である。図３に示すように、第１アクチュエータ３０Ａは、前腕リンク９に設けられたモータ２３と、モータ２３によって駆動される負荷体３２と、モータ２３が発生する動力を負荷体３２に伝達する動力伝達系３３とを備えている。動力伝達系３３は、モータ２３によって回転駆動される駆動プーリ３４と、負荷体３２の回動軸回りに負荷体３２に一体に形成された従動プーリ３５と、駆動プーリ３４及び従動プーリ３５に巻き掛けられたワイヤ３６とを含んでいる。ワイヤ３６にはアイドラプーリ３７及びテンショナ３８が適所に設けられている。

【0035】

ワイヤ３６は無端環状をなしており、駆動プーリ３４の両回転方向のトルク、すなわち負荷体３２を屈曲させる方向の屈曲トルクＴｂ及び伸展させる方向の伸展トルクＴｅを従動プーリ３５に伝達する。すなわち、ワイヤ３６は負荷体３２を両方向に駆動し得るように配置されており、屈曲トルクＴｂ及び伸展トルクＴｅを伝達可能に駆動プーリ３４と従動プーリ３５とを連結している。

【0036】

本実施形態では、ワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂを伝達する部分と伸展側張力Ｆｅを伝達する部分とに２つのテンショナ３８が設けられている。ワイヤ３６上の従動プーリ３５と２つのテンショナ３８との間のそれぞれには、ワイヤ３６の張力Ｆを取得するための張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）が設けられている。張力センサ３９の一方は、ワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂを検出する第１張力センサ３９Ａであり、張力センサ３９の他方は、ワイヤ３６の伸展側張力Ｆｅを検出する第２張力センサ３９Ｂである。張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）は前腕リンク９（図２）に設けられる。張力センサ３９と従動プーリ３５との間のワイヤ３６の部分は手根関節１２（図２）を通過する。ワイヤ３６の手根関節１２を通過する部分には図示しないアウタチューブが設けられる。

【0037】

モータ２３の出力軸と駆動プーリ３４との間には、所定の減速比ＲＲを有する減速機４０が設けられている。ここでは、駆動プーリ３４の半径と従動プーリ３５の半径とは互いに同一とされており、駆動プーリ３４と従動プーリ３５とは同速で回転する。他の実施形態では、駆動プーリ３４と従動プーリ３５との半径比による減速機構が追加されてもよい。動力伝達系３３は全体として柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）を有している。なお、柔軟係数は動力伝達系３３のばね剛性Ｋｓｐｒ（ばね定数）の逆数である。

【0038】

図４は、手部５の第２アクチュエータ３０Ｂのモデル図である。図４に示すように、第２アクチュエータ３０Ｂは、前腕リンク９に設けられたモータ２３と、モータ２３によって駆動される負荷体３２と、モータ２３が発生する動力を負荷体３２に伝達する動力伝達系３３とを備えている。動力伝達系３３は、モータ２３によって回転駆動される駆動プーリ３４と、負荷体３２の回動軸回りに負荷体３２に一体に形成された従動プーリ３５と、駆動プーリ３４及び従動プーリ３５に巻き掛けられたワイヤ３６とを含んでいる。ワイヤ３６は屈曲側張力Ｆｂを伝達可能に駆動プーリ３４と従動プーリ３５とを連結している。

【0039】

ワイヤ３６は、駆動プーリ３４に固定された一端から延びて従動プーリ３５に巻き掛けられ、他端において掌部１４（ハンド部、図２）に固定されている。従動プーリ３５に対しワイヤ３６の他端側には、ワイヤ３６を掌部１４に向けて常時付勢する付勢部材４２が設けられている。付勢部材４２は例えば引っ張りコイルばねや弦巻ばねであってよい。ワイヤ３６は、駆動プーリ３４によって引っ張られると、屈曲側張力Ｆｂによって負荷体３２を屈曲させる向きのトルクを従動プーリ３５に伝達する。ワイヤ３６は、駆動プーリ３４からの屈曲側張力Ｆｂが作用する方向と相反する方向に付勢部材４２によって付勢されると、付勢力によって負荷体３２を伸展させる向きのトルクを従動プーリ３５に伝達する。

【0040】

本実施形態では、ワイヤ３６上の駆動プーリ３４と従動プーリ３５との間に、ワイヤ３６の張力Ｆを取得するための張力センサ３９、すなわちワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂを検出する第１張力センサ３９Ａが設けられている。第１張力センサ３９Ａは前腕リンク９（図２）に設けられる。第１張力センサ３９Ａと従動プーリ３５との間のワイヤ３６の部分は手根関節１２（図２）を通過する。ワイヤ３６の手根関節１２を通過する部分には図示しないアウタチューブが設けられる。

【0041】

モータ２３と駆動プーリ３４との間には、所定の減速比ＲＲを有する減速機４０が設けられる。ここでは、駆動プーリ３４の半径と従動プーリ３５の半径とは互いに同一とされている。モータ２３の出力軸は駆動プーリ３４に直接結合（剛結）されている。動力伝達系３３は、ワイヤ３６を含むことにより、ワイヤ剛性の逆数である柔軟係数１／Ｋｓｐｒを有している。

【0042】

図５は手部５のアクチュエータ３０のシステム構成図である。図５に示すように、ロボット１に設けられた手部５のアクチュエータシステムは、第１制御装置１３と、第２制御装置２５と、複数のモータ２３と、複数のモータ角センサ４３と、複数の張力センサ３９と、複数の関節角センサ４４とを備えている。第２制御装置２５は通信線４５を介して第１制御装置１３に接続されている。複数のモータ２３、モータ角センサ４３及び関節角センサ４４は、通信線４５を介して第２制御装置２５に接続されている。

【0043】

第１制御装置１３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、アナログ回路等によって構成される電子制御装置である。第１制御装置１３はＣＰＵでプログラムに沿った演算処理を実行することで、各種の運動制御を実行する。第１制御装置１３は１つのハードウェアとして構成されていてもよく、複数のハードウェアからなるユニットとして構成されていてもよい。第１制御装置１３をロボット１の制御装置として機能させるための「運動制御プログラム」は、ＲＯＭ等の記憶装置に予め格納されていてよい。或いは、このプログラムは、任意のタイミングでサーバからネットワークや放送を介して配信され、第１制御装置１３の記憶装置に格納されてもよく、サーバに保存された状態でネットワークや放送を介して第１制御装置１３に利用されてもよい。第１制御装置１３は、運動制御プログラムに沿った演算処理を実行することで、各アクチュエータ３０の負荷体３２の運動目標値を設定し、運動目標値に基づいて負荷体３２の目標トルクＴｔを設定する。

【0044】

第２制御装置２５は、プログラマブルロジックデバイス、モータドライバ、Ｉ／Ｏ、アナログ回路等によって構成される電子制御装置である。プログラマブルロジックデバイスは、プログラムに沿った演算処理を実行することでアクチュエータ３０の動作制御を実行するものであり、例えばＦＰＧＡ（field-programmable gate array）であってよい。第２制御装置２５をアクチュエータ３０の制御装置として機能させるための「動作制御プログラム」は、プログラマブルロジックデバイスに予め格納されている。第２制御装置２５は、第１制御装置１３から受け取る負荷体３２の目標トルクＴｔの指令に従って、モータ２３の出力を制御することによってアクチュエータ３０を動作させる。すなわち、第２制御装置２５は、第１制御装置１３と協働して、負荷体３２の与えられた目標位置を実現するようにモータ２３の出力を制御する。

【0045】

モータ角センサ４３は、対応するモータ２３の出力軸の角度であるモータ角度θ_Ｍ（位置）及びモータ角速度ω_Ｍ（速度）を取得するためにモータ角度θ_Ｍを検出する角度センサである。すなわち、モータ角センサ４３は、駆動源の位置及び速度を取得するための駆動源の位置を検出する駆動位置センサである。モータ角センサ４３は、例えばエンコーダであってよく、モータ角度θ_Ｍに応じた信号を出力する。

【0046】

張力センサ３９は、ワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂを検出する第１張力センサ３９Ａ（図６参照）又は、ワイヤ３６の伸展側張力Ｆｅを検出する第２張力センサ３９Ｂ（図６参照）として構成される。張力センサ３９は、ワイヤ３６の張力Ｆに応じた信号を出力する。

【0047】

関節角センサ４４は、モータ２３により駆動される負荷体３２の支持部材に対する角度位置、すなわち関節の関節角度θ_Ｌ（位置）及び関節角速度ω_Ｌ（速度）を取得するために、関節角度θ_Ｌを検出する角度センサである。すなわち、関節角センサ４４は、負荷体３２の位置及び速度を取得するために負荷体３２の位置を検出する負荷位置センサである。関節角センサ４４は、例えばエンコーダであってよく、関節角度θ_Ｌに応じた信号を出力する。

【0048】

上記のように第１制御装置１３はロボット１の基体２に配置され、第２制御装置２５及び複数のモータ２３はロボット１の前腕リンク９に配置されている。そのため、第１制御装置１３と第２制御装置２５との間には肩関節１０及び肘関節１１が介在する。

【0049】

図６は、手部５のアクチュエータ３０の概略的な機能ブロック図である。図６に示すように、第１制御装置１３は、関節目標値設定部５１と、目標張力設定部５２とを有している。関節目標値設定部５１は、上記運動制御プログラムに沿った演算処理を実行することで、負荷体３２の運動目標値を設定する。負荷体３２の運動目標値には、目標関節角度θ_Ｌｔ及び目標関節角速度ω_Ｌｔが含まれる。負荷体３２の運動目標値に関節トルク指令が含まれてもよい。

【0050】

目標張力設定部５２には、目標関節角度θ_Ｌｔ及び目標関節角速度ω_Ｌｔと、張力センサ３９から取得された関節角度θ_Ｌ及び関節角速度ω_Ｌとが入力される。目標張力設定部５２は、入力されるこれらの値の偏差に基づいて、負荷体３２の目標出力としての目標トルクＴｔを設定するインピーダンス制御を行う。このようにして目標張力設定部５２は、少なくとも目標関節角度θ_Ｌｔ（目標位置）と関節角度θ_Ｌ（負荷体３２の位置）とに基づいて負荷体３２に作用させるべき目標出力を設定する。

【0051】

第２制御装置２５は、張力制御部５３と、モータ制御部５４と、電流制御部５５と、センサデータ取得部５６とを有している。センサデータ取得部５６は微分器５７を備えている。センサデータ取得部５６は、張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）、モータ角センサ４３及び関節角センサ４４から出力される信号を取得して必要な処理を行ったうえで、これらの信号を必要とする各機能部へ分配する。微分器５７は、モータ角センサ４３から取得したモータ角度θ_Ｍに応じた信号を微分することによってモータ角速度ω_Ｍを算出し、関節角センサ４４から取得した関節角度θ_Ｌに応じた信号を微分することによって関節角速度ω_Ｌを算出する。

【0052】

センサデータ取得部５６は、モータ角速度ω _Ｍ をモータ制御部５４に送信し、ワイヤ３６の張力Ｆ（Ｆｂ、Ｆｅ）及び関節角速度ω_Ｌを張力制御部５３に送信し、関節角度θ_Ｌ及び関節角速度ω_Ｌを第１制御装置１３の目標張力設定部５２に送信する。なお、第１アクチュエータ３０Ａでは、屈曲側張力Ｆｂ及び伸展側張力Ｆｅの両方が張力制御部５３に送信され、第２アクチュエータ３０Ｂでは、屈曲側張力Ｆｂのみが張力制御部５３に送信される。

【0053】

張力制御部５３は、目標張力設定部５２にて設定された目標トルクＴｔ、センサデータ取得部５６から送信される張力Ｆ（Ｆｂ、Ｆｅ）及び関節角速度ω_Ｌに基づいて、目標モータ角速度ω_Ｍｔを設定する。

【0054】

モータ制御部５４は、張力制御部５３にて設定された目標モータ角速度ω_Ｍｔ、及び、センサデータ取得部５６から送信されるモータ角速度ω_Ｍに基づいて、モータ２３に供給すべき目標電流Ｉｔを設定する。電流制御部５５は、モータ制御部５４にて設定された目標電流Ｉｔがモータ２３に供給されるようにバッテリからモータ２３へ流れる電流Ｉを制御する。このようにして第２制御装置２５は、駆動源の出力であるモータ角速度ω_Ｍを制御する。以下、第１制御装置１３と第２制御装置２５とを合わせてコントローラと言う。

【0055】

図７は、第１アクチュエータ３０Ａに係るコントローラの要部の機能ブロック図であり、図８は、第２アクチュエータ３０Ｂに係るコントローラの要部の機能ブロック図である。まず、図７を参照して、第１アクチュエータ３０Ａのコントローラの機能について説明する。

【0056】

第１制御装置１３の目標張力設定部５２は、第１減算器６１、第２減算器６２、積分器６３及び加算器６４を備えている。第１減算器６１は、関節目標値設定部５１により設定された目標関節角度θ_Ｌｔから、関節角センサ４４により検出された実測時の関節角度θ_Ｌを減じることで、関節角度差Δθ_Ｌを算出する。第２減算器６２は、関節目標値設定部５１により設定された目標関節角速度ω_Ｌｔから、関節角センサ４４により検出された実測時の関節角速度ω_Ｌを減じることで、角速度差Δω_Ｌを算出する。積分器６３は関節角度差Δθ_Ｌを積分する。目標張力設定部５２は、関節角度差Δθ_Ｌに比例ゲインＫｐを乗じて負荷体３２のトルク値に換算し、角速度差Δω _Ｌ に微分ゲインＫｄを乗じて負荷体３２のトルク値に換算し、関節角度差Δθ_Ｌの積分値に積分ゲインＫｉを乗じて負荷体３２のトルク値に換算する。加算器６４は、これら３つの値を加算することで、負荷体３２に作用させるべきトルク目標値Ｔ_Ｌｔを算出する。

【0057】

また目標張力設定部５２は、駆動側トルク変換部６５及び制限部６６を備えている。駆動側トルク変換部６５は、負荷体３２に作用させるべきトルク目標値Ｔ_Ｌｔを、駆動側のトルクに変換する。本実施形態では、負荷体３２とワイヤ３６との間に減速機構はなく、負荷体３２のトルクと動力伝達系３３のワイヤ３６部分のトルクとが一致する。そのため、駆動側トルク変換部６５はトルク目標値Ｔ_Ｌｔを目標トルクＴｔとして制限部６６に向けてそのまま出力する。制限部６６は、－Ｃ１＜Ｔｔ＜Ｃ１となるように、目標トルクＴｔを制限する。ここで、Ｃ１は正の値であり、この動力伝達系３３においてワイヤ３６が破断しないトルクの上限値である。制限部６６は、制限処理を実行した後、目標トルクＴｔを張力制御部５３に向けて出力する。

【0058】

目標張力設定部５２は、これらの比例ゲインＫｐ、微分ゲインＫｄ及び積分ゲインＫｉを変更して第１アクチュエータ３０Ａの機械的なインピーダンス（ばね剛性Ｋｓｐｒ）を調整することにより、第１アクチュエータ３０Ａの特性を変更することができる。具体的には、動力伝達系３３にワイヤ３６が含まれていても、これらのゲインを大きくすることにより、負荷体３２の位置応答性を高めることができる。また、これらのゲインを小さくすることにより、手部５の負荷体３２の柔軟性を高め、例えば衝撃吸収性能を高めることができる。

【0059】

第２制御装置２５の張力制御部５３は、減算器７１、駆動側トルク変換部７２、減算器７３及び加算器７４を備えている。減算器７１は、第１張力センサ３９Ａから取得された屈曲側張力Ｆｂから、第２張力センサ３９Ｂから取得された伸展側張力Ｆｅを減算し、従動プーリ３５にトルクとして作用するワイヤ３６の実トルク張力Ｆａを算出する。駆動側トルク変換部７２は、減算器７１により算出された実トルク張力Ｆａに駆動プーリ３４の半径を乗じることで動力伝達系３３のワイヤ３６部分の実トルクＴａを算出する。減算器７３は、目標張力設定部５２により設定された目標トルクＴｔから実トルクＴａを減じることで、負荷体３２に付加すべきトルク偏差Ｔｅｒｒを算出する。

【0060】

張力制御部５３は、トルク偏差Ｔｅｒｒに力制御ゲインＫｔｐを乗じることにより、駆動源の付加速度指令（目標付加速度）である目標付加角速度ωａｄｄを算出する。目標付加角速度ωａｄｄは加算器７４に入力される。ここで、力制御ゲインＫｔｐは、動力伝達系３３の柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）に、位置指令である角度を速度指令である角速度に変換するための速度ゲインである比例ゲインＫｐ_２を乗じて得られる。以下に、力制御ゲインＫｔｐについて詳細に説明する。

【0061】

図９は（Ａ）従来技術、（Ｂ）本発明のそれぞれの制御の説明図である。特許文献１に示される従来のパッシブコンプライアンス制御では、動力伝達系３３に介在する柔軟要素が線形な柔軟特性を有している。そのため、図９（Ａ）に示すように、トルク指令である目標トルクＴｔに柔軟要素の柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）を乗じることで位置指令である角度指令値θｔが算出されていた。また、角度指令値θｔから、駆動側と負荷側との間の角度（角度差「θ_Ｍ－θ_Ｌ」）が減じられることで角度差Δθが算出されていた。そしてこの角度差Δθに、角度指令を角速度指令に変換するための比例ゲインＫｐ_２が乗じられることで角速度指令が算出されていた。

【0062】

これに対し本実施形態では、動力伝達系３３がワイヤ３６を含むために、動力伝達系３３の特性が非線形になる。そのため張力制御部５３では、駆動側と負荷側との間の角度（角度差「θ_Ｍ－θ_Ｌ」）に動力伝達系３３のばね剛性Ｋｓｐｒを乗じることで得られる、駆動側と負荷側との間の実トルクＴａが、張力センサ３９の検出値から取得される。また、トルク指令である目標トルクＴｔから実トルクＴａが減じられることでトルク偏差Ｔｅｒｒが算出される。そして、トルク偏差Ｔｅｒｒに動力伝達系３３の柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）が乗じられることで従来の角度差Δθに相当する値が算出され、この値に比例ゲインＫｐ_２が乗じられることで角速度指令が算出される。このように張力制御部５３は、等価交換によって位置ではなく力（実トルクＴａ）を用いて同様の処理を行うことにより、ヒステリシスを有する動力伝達系３３のばね特性をモデル化しなくても、速度指令（目標角速度ωｔ）を算出できる。

【0063】

図７に戻って説明を続ける。張力制御部５３は駆動側速度変換部７５を更に備える。駆動側速度変換部７５は、関節角センサ４４により取得された関節角速度ω_Ｌを駆動側の角速度に変換する。具体的には、駆動側速度変換部７５は、関節角速度ω_Ｌに減速機４０の減速比ＲＲを乗じることで、関節角速度ω_Ｌに対応する従動モータ角速度ωｆを算出する。ここで、従動モータ角速度ωｆは、モータ２３の駆動に従動して回動した負荷体３２の関節角速度ω_Ｌをモータ角速度ω_Ｍに換算して得た従動駆動源速度に相当する角速度である。

【0064】

張力制御部５３は、従動モータ角速度ωｆに制御ゲインＫｖｆｆを乗じて従動モータ角速度ωｆを適正化する。制御ゲインＫｖｆｆは通常は１に設定されており、本実施形態でも１である。従動モータ角速度ωｆは加算器７４にフィードフォワード項として入力される。加算器７４は、目標付加角速度ωａｄｄに従動モータ角速度ωｆを加算することで、駆動源の目標速度に相当する目標モータ角速度ω_Ｍｔを算出する。目標モータ角速度ω_Ｍｔはモータ制御部５４に供給され、上記のようにモータ制御部５４はモータ角速度ω_Ｍに基づき目標電流Ｉｔを設定する角速度制御を実行する。

【0065】

このように第２制御装置２５及びこれによる制御方法は、ワイヤ３６の実トルク張力Ｆａに対応する実トルクＴａと目標トルクＴｔとの偏差であるトルク偏差Ｔｅｒｒに、力制御ゲインＫｔｐを乗じて、駆動源の目標角速度ωｔである目標付加角速度ωａｄｄを設定する。そして、第２制御装置２５が目標付加角速度ωａｄｄに基づいて駆動源の出力であるモータ角速度ω_Ｍを制御することで、負荷体３２にコンプライアンスを与えるパッシブコンプライアンス制御を従来と同様に実現することができる。

【0066】

ここで、上記のように力制御ゲインＫｔｐは、動力伝達系３３の柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）と速度ゲインとしての比例ゲインＫｐ_２との乗算値である。つまり、力制御ゲインＫｔｐが柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）を含むことで、トルク偏差Ｔｅｒｒに柔軟係数（１／Ｋｓｐｒ）を乗じた値が、ワイヤ３６の実変位とワイヤ３６の目標変位との変位差に対応する、駆動側と負荷側との間の角度（図９の角度差Δθ）として算出される。そしてこのワイヤ３６の変位差（図９の角度差Δθ）に比例ゲインＫｐ_２が乗じられることで、駆動源の目標付加角速度ωａｄｄが算出される。

【0067】

また第２制御装置２５は、関節角センサ４４から取得される負荷体３２の関節角速度ω_Ｌを換算して得た従動モータ角速度ωｆと目標付加角速度ωａｄｄとに基づいて目標モータ角速度ω_Ｍｔを設定する。そして第２制御装置２５は、目標モータ角速度ω_Ｍｔを実現するようにモータ角速度ω_Ｍを制御する。そのため、第２制御装置２５は、目標トルクＴｔとワイヤ３６の実トルク張力Ｆａに対応する実トルクＴａとに基づいて、目標モータ角速度ω_Ｍｔを制御媒体としてモータ角速度ω_Ｍを制御することができる。

【0068】

図３に示すように第１アクチュエータ３０Ａでは、ワイヤ３６が負荷体３２を両方向に駆動し得るように配置され、負荷体３２に作用するワイヤ３６の張力Ｆを両方向について取得するべく、張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）が負荷体３２の両側に設けられる。この構成により、ワイヤ３６の張力Ｆを両方向について取得できるため、第２制御装置２５が両方向について目標トルクＴｔを負荷体３２に作用させるようにモータ角速度ω_Ｍを制御することができる。

【0069】

次に、図８を参照して、第２アクチュエータ３０Ｂのコントローラの機能及び効果について説明する。第２アクチュエータ３０Ｂについては、第１アクチュエータ３０Ａと相違する点のみを説明する。

【0070】

第２アクチュエータ３０Ｂでは、第１制御装置１３の目標張力設定部５２が付勢力補償部６７を更に備えている。一方、第２制御装置２５の張力制御部５３は減算器７１を備えていない。駆動側トルク変換部７２には、第１張力センサ３９Ａから取得された屈曲側張力Ｆｂが入力される。駆動側トルク変換部７２は、入力された屈曲側張力Ｆｂをワイヤ３６の実トルク張力Ｆａとし、実トルク張力Ｆａに駆動プーリ３４の半径を乗じることで動力伝達系３３のワイヤ３６部分の実トルクＴａを算出する。ただし、この実トルク張力Ｆａには、図４の付勢部材４２による付勢力に対抗する力が含まれている。

【0071】

そこで、第１制御装置１３の目標張力設定部５２では、付勢力補償部６７が、付勢部材４２の伸び変位に相当する関節角度θ_Ｌに、付勢部材４２のばね定数に相当する補償係数を乗じることで、付勢部材４２の付勢力への対抗力に相当する対抗トルクＴｃを算出する。目標張力設定部５２は、対抗トルクＴｃにトルクフィードフォワードゲインＫｔｆｆを乗じて負荷体３２のトルク値に換算する。この値は加算器６４に入力され、他の３つの値に加算される。これにより付勢部材４２の付勢力が相殺される。

【0072】

第２アクチュエータ３０Ｂの制限部６６は、目標トルクＴｔを、－Ｃ２＜Ｔｔ＜Ｃ１となるように制限する。ここで、Ｃ２はＣ１よりも小さな正の値であり、ワイヤ３６が緩まない下限値である。その他は、図７に示す第１アクチュエータ３０Ａのコントローラと同様であり、第２アクチュエータ３０Ｂのコントローラにおいても、第１アクチュエータ３０Ａのコントローラと同様の作用効果が得られる。

【0073】

また図４に示すように第２アクチュエータ３０Ｂでは、動力伝達系３３が、ワイヤ３６の張力Ｆが作用する方向と相反する方向にワイヤ３６を常時付勢する線形特性を有する付勢部材４２を含む。そして、図８に示すように第１制御装置１３は、付勢部材４２による付勢力に相当する対抗トルクＴｃを加算して、目標トルクＴｔを設定する。

【0074】

特許文献１に示される従来のパッシブコンプライアンス制御は、動力伝達系３３が金属ばねのような柔軟要素を介して連続し、正負両方向に対して力を伝達できることを前提としていた。そのため、ワイヤ３６が張力Ｆを一方のみに伝達するように配置され、他方への力が付勢部材４２によって与えられる場合には、従来の制御を利用することができなかった。

【0075】

本実施形態では、ワイヤ３６が張力Ｆを一方のみに伝達するように配置され、他方への力が線形特性を有する付勢部材４２によって与えられても、コントローラが、目標トルクＴｔを負荷体３２に作用させるようにモータ角速度ω_Ｍを制御することができる。また、負荷体３２を両方向に駆動し得るようにワイヤ３６を配置する必要がないため、アクチュエータ３０の大型化が抑制される。

【0076】

図１０は実施形態に係る制御による応答性の効果を示すボード線図である。グラフ中の一点鎖線は、第１制御装置１３の目標張力設定部５２が、関節角度差Δθ_Ｌの積分値に積分ゲインＫｉを乗じて換算した負荷体３２のトルク値を加算器６４に加算しない場合、すなわちＰＤ制御を行った場合の周波数特性を示す。実線は、実施形態に係る制御の周波数特性を示す。目標張力設定部５２が関節角度θ_Ｌを用いたＰＤ制御を行った場合には、一点鎖線で示すように、０．５～１Ｈｚの周波数領域において共振点が発生し、ゲインが高くなる一方で位相遅れが生じ、応答性が低下する。これに対し、本実施形態では、この周波数領域における共振が抑えられ、応答性が向上する。

【0077】

図１１は第２アクチュエータ３０Ｂの応答を示すタイムチャートである。縦軸は関節角度θ_Ｌを示している。チャート中の破線は関節角度θ_Ｌの指令値（目標関節角度θ_Ｌｔ）を示し、実線は本発明の実測値（関節角度θ_Ｌ）を示し、一点鎖線は比較例の実測値を示している。比較例は、目標張力設定部５２（図８）が、二次側の関節角速度ω_Ｌを駆動側速度変換部７５にて一次側（駆動側）の従動モータ角速度ωｆに換算し、この値に制御ゲインＫｖｆｆを乗じた値をフィードフォワード項として加算器７４にて加算しない場合を示す。

【0078】

図１１に示すように、比較例では、関節角度θ_Ｌの指令値が小さく変化したとき（伸展側への回動指令のとき）、０°に向けた関節角度θ_Ｌの戻りが遅い。これに対し本発明では、目標張力設定部５２が関節角速度ω_Ｌに基づく従動モータ角速度ωｆに関するフィードフォワード項を加算して目標モータ角速度ω_Ｍｔを演算することにより、関節角度θ_Ｌが屈曲側への指令のときと同様に指令値に追従して変化しており、０°に向けた関節角度θ_Ｌの戻りが早い。つまり、ワイヤ３６が張力Ｆを一方のみに伝達するように配置され、他方への力が付勢部材４２によって与えられても、第２制御装置２５が関節角センサ４４から取得される負荷体３２の関節角速度ω_Ｌを換算して得た従動モータ角速度ωｆと目標付加角速度ωａｄｄとに基づいて目標モータ角速度ω_Ｍｔを設定することにより、負荷体３２の応答性が向上する。

【0079】

図１２は実施形態に係る制御システムによる応答を示すタイムチャートである。縦軸は関節角度θ_Ｌを示している。チャート中の破線は関節角度θ_Ｌの指令値（目標関節角度θ_Ｌｔ）を示し、実線は本発明の実測値（関節角度θ_Ｌ）を示し、一点鎖線は比較例の実測値を示している。

【0080】

比較例は、従来システムの構成によるものである。ここで、本発明との相違を明確にするために従来システムの構成について説明する。従来システムでは、第２制御装置２５はモータ２３の出力を制御するモータドライバとしての機能のみを有していた。つまり、モータ２３の出力であるモータ角速度ω_Ｍを制御する張力制御部５３は第１制御装置１３に設けられ、第１制御装置１３が負荷体３２の関節角度θ_Ｌを関節角センサ４４から得て、関節角度θ_Ｌから関節角速度ω_Ｌを算出して張力制御部５３に提供していた。

【0081】

これに対し本発明では、図６に示すように、モータ角速度ω_Ｍを制御するモータドライバをなす第２制御装置２５に、張力制御部５３が一体に設けられている。第２制御装置２５は、第１制御装置１３を経由することなく、負荷体３２の位置を表す関節角度θ_Ｌを関節角センサ４４から直接得て、関節角度θ_Ｌに基づいて負荷体３２の関節角速度ω_Ｌを算出する。そして、第２制御装置２５がワイヤ３６の張力Ｆに対応する実トルクＴａと負荷体３２の関節角速度ω_Ｌとに基づいてモータ２３の出力である関節角速度ω_Ｌを制御する。これにより、第２制御装置２５が負荷体３２の関節角速度ω_Ｌを短時間で算出してモータ角速度ω_Ｍを目標モータ角速度ω_Ｍｔに近付けることができ、負荷体３２の動作が滑らかになる。

【0082】

また図７及び図８に示すように、第２制御装置２５では、張力制御部５３が、目標トルクＴｔとワイヤ３６の実トルク張力Ｆａに相当する動力伝達系３３のワイヤ３６部分の実トルクＴａとに基づいて、モータ２３の目標付加角速度ωａｄｄを設定する。張力制御部５３は、目標付加角速度ωａｄｄと、負荷体３２の関節角速度ω_Ｌを換算して得た従動モータ角速度ωｆとに基づいて、目標モータ角速度ω_Ｍｔを設定する。そしてモータ制御部５４が、目標モータ角速度ω_Ｍｔに基づいてモータ２３を駆動する。このように第２制御装置２５は、第１制御装置１３によって設定された目標トルクＴｔと実トルクＴａとに基づいて、目標モータ角速度ω_Ｍｔを制御媒体としてモータ２３の出力を制御する。これにより、動力伝達系３３が柔軟要素であるワイヤ３６を含んでいても、負荷体３２にコンプライアンスを与える従来のようなパッシブコンプライアンス制御をコントローラが実現できる。

【0083】

また図２に示すアーム３１において、負荷体３２を支持するハンド部をなす掌部１４は、アーム基部をなす前腕リンク９に手根関節１２を介して連結される。そのため、図３及び図４に示すワイヤ３６は、手根関節１２を通過するように設けられる。一方、上記のように第２制御装置２５及び張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）は共に前腕リンク９に設けられていることから、第２制御装置２５による張力制御処理の時間が短縮される。これにより、負荷体３２の動きが滑らかになる。また、装置やセンサの実装による掌部１４の大型化が回避される。

【0084】

言い換えれば、張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）が手根関節１２に対してモータ２３の側に配置される。これにより、手根関節１２に対して負荷体３２の側に張力センサ３９（３９Ａ、３９Ｂ）を設ける必要がないため、アクチュエータ３０の負荷体３２側の部分の大型化を抑制することができる。

【0085】

また図１に示すように、ロボット１はアーム３１を支持する基体２を備え、第１制御装置１３が基体２に設けられ、第２制御装置２５がアーム３１に設けられている。これにより、第１制御装置１３の実装によるアーム３１の大型化が回避される。

【0086】

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、一例としてロボット１の手部５のアクチュエータ３０に適用して本発明の説明を行ったが、本発明は手部５以外の部分や、ヒューマノイドロボット以外のロボット１にも広く適用することができる。

【0087】

上記実施形態では、第１アクチュエータ３０Ａが図３に示すように２つの張力センサ３９を備えている。他の実施形態では第１アクチュエータ３０Ａが、図１３に示すように構成されてもよい。この第１アクチュエータ３０Ａでは、モータ２３と駆動プーリ３４との間にばね要素８１が設けられている。ばね要素８１は例えば捩じりコイルばねであってよい。図３のように２つの張力センサ３９がワイヤ３６上に設けられる代わりに、この実施形態では、ばね要素８１の変位を計測する変位センサ８２が設けられている。変位センサ８２はばね要素８１の変位を計測することで、モータ２３の負荷体３２に対する駆動力を両方向について取得することができる。

【0088】

この実施形態では、動力伝達系３３が、モータ２３とワイヤ３６との間に介在する線形特性を有するばね要素８１を含み、ワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂと伸展側張力Ｆｅとの張力差によって駆動プーリ３４に発生するトルクを取得するためのセンサとして、ばね要素８１の変位を計測する変位センサ８２が設けられる。そして、第２制御装置２５は、変位センサ８２が計測した変位にばね要素８１のばね定数を乗じることによってワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂと伸展側張力Ｆｅとの張力差によって駆動プーリ３４に発生するトルク（＝（Ｆｂ－Ｆｅ）×ｒ、ただし、ｒ：駆動プーリ３４の半径）を取得する。この構成により、ワイヤ３６だけでなく、ばね要素８１によっても負荷体３２の動きに所望のコンプライアンスを与えることができる。また、ばね要素８１の変位からワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂと伸展側張力Ｆｅとの張力差によって駆動プーリ３４に発生するトルクを計測することができるため、変位センサ８２が１つで済み、ワイヤ３６上に設けられる張力センサ３９のように２つのセンサを設ける必要がないため、ワイヤ３６周り及びセンサ周りの構成の小型化が可能である。

【0089】

また、他の実施形態では第２アクチュエータ３０Ｂが、図１４に示すように構成されてもよい。この第２アクチュエータ３０Ｂでは、動力伝達系３３のワイヤ３６上の適所にアイドラプーリ３７及びテンショナ３８が設けられている。図示例では、ワイヤ３６の屈曲側張力Ｆｂを伝達する部分に、１つアイドラプーリ３７及び１つのテンショナ３８が設けられている。このようにアイドラプーリ３７やテンショナ３８が動力伝達系３３に追加されてもよい。

【0090】

また、上記実施形態では、第１制御装置１３がロボット１の基体２に配置されているが、第１制御装置１３がロボット１の前腕リンク９に配置されてもよく、各装置の配置はこれに限られない。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度、手順など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更することができる。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。

【符号の説明】

【0091】

１２ ：手根関節
１３ ：第１制御装置
２３ ：モータ（駆動源）
２５ ：第２制御装置
３０ ：アクチュエータ
３０Ａ ：第１アクチュエータ
３０Ｂ ：第２アクチュエータ
３２ ：負荷体
３３ ：動力伝達系
３６ ：ワイヤ
３９ ：張力センサ
３９Ａ ：第１張力センサ（屈曲側）
３９Ｂ ：第２張力センサ（伸展側）
４２ ：付勢部材
４４ ：関節角センサ（負荷位置センサ）
８１ ：ばね要素
８２ ：変位センサ（張力センサ）
Ｆ ：張力
Ｆａ ：実トルク張力
Ｆｂ ：屈曲側張力
Ｆｅ ：伸展側張力
Ｋｐ_２ ：比例ゲイン（速度ゲイン）
Ｋｓｐｒ ：ばね剛性
１／Ｋｓｐｒ ：柔軟係数
Ｔａ ：実トルク
Ｔｃ ：対抗トルク（付勢力に対向する力）
Ｔｔ ：目標トルク
Δθ ：角度差（変位差）
θ_Ｌ ：関節角度（位置）
θ_Ｌｔ ：目標関節角度（目標位置）
θ_Ｍ ：モータ角度（位置）
ω_Ｌ ：関節角速度（速度）
ω_Ｍ ：モータ角速度（速度、駆動源の出力）
ω_Ｍｔ ：目標モータ角速度（目標速度）
ωａｄｄ ：目標付加角速度（目標付加速度）
ωｆ ：従動モータ角速度（従動駆動源速度）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】